超越矽晶: 鈣鈦礦太陽能革命中的品質控制
超越矽晶: 鈣鈦礦太陽能革命中的品質控制
根據你的年紀，你可能有著這樣的回憶，坐在教室中，拿著一台太陽能計算機，蓋住它的感光處，看著螢幕逐漸黯淡最後熄滅…只有當你將它照光後螢幕才會亮起。這真是太神奇了!
這些小型太陽能電池從此之後經過幾次更新，如今它們已經成為了企業和家庭中不可或缺的再生能源。全球太陽能產業的發電量從100TWh增長到1000TWh經過了八年，在不到十年中實現了數量級的增加。但是從1000TWh到2000TWh的增長只花了三年(1)!這是對更乾淨以及再生能源的明顯需求所驅動，但是更進一步催動的是價格的大幅降低。在70年代末，矽晶太陽能電池的花費是77美金每瓦，到了2018年價格跌到只剩0.13美金每瓦(2)。這是個相當重大的變化。
但是傳統矽晶片的方式正面臨新的參與者嘗試奪得主導權。它就是鈣鈦礦。從礦物學來說，這是指鈦酸鈣(CaTiO3)，但廣義來說是指任何具有相同晶體結構的化合物。
圖一: 鈣鈦礦晶體結構
這個ABX3結構中，A和B是陽離子，X是陰離子。在這類型中大部分常見的材料是甲銨三鹵化鉛，甲銨當作是A，鉛當作是B，以及一些像是溴或氯這樣的鹵素元素則當作是X。在2010年前，這些材料製成的太陽能電池效率是小於4%，2020年後則躍升到超過25%(3)。它們生產起來相對簡單和便宜，以及提供足夠的客製化能力，在通用和客製化應用領域都具有吸引力。
但無論你是製作太陽能電池或是運動鞋，做為一個製造商你需要確保你的產品製作正確且品質一致。這就是光譜學能參與的地方，因為透過在正確的波長範圍內快速光學掃描，我們可以馬上辨認出缺陷以及雜質。鈣鈦礦材質在近紅外範圍有著特別有趣的反射，我們可以在900~1700nm的區域獲得有用的塗層品質快照。這可以使用標準的反射探頭來進行緊密點量測或是使用積分球來表徵更寬闊的區域。
圖二: 反射探頭分析鈣鈦礦平板。
實驗架設
| Spectrometer | NR 1.7 |
| Light Source | Tungsten-Halogen |
| Fiber | 600μm NIR |
| Sampling Accessories | 400μm NIR Reflection Probe / Integrating Sphere |
| Samples | 4 Perovskite plates with variable manufacturing parameters |
反射探頭的主要優勢是嚴格控制在正確的偵測點上，以及能隨時改變距離和角度的能力。但如果固定裝置沒鎖緊導致預期外的移動，這些距離以及角度的變化可能會導致較差的量測。積分球有著寬闊的10mm端口，這能提供關於整個照射區域的反射資訊，這也能維持齊平的距離以及一致的90度偵測角度。這通常導致量測更具有重複性，儘管這也失去了聚焦在特定問題點上的能力。因為這些原因，反射探頭常見於研究和實驗室設定中，而積分球則對於製造環境中的快速品質檢測來說是很有用的。
這裡偵測的樣品包含了四片製作時有著輕微不同狀態的鈣鈦礦平板。確切的差異是製造商的專有資訊，但這些差異仍能為觀察其在光譜特徵中如何呈現變化，建立一個基準線。觀察反射探頭的資料，我們看到一個可重複的正弦波趨勢在900nm到1700nm之間。第一個樣品跟其他三個有著相像反應的樣品相比，發生了往低波長移動的「藍移」。
圖表一: 反射探頭響應
轉到積分球這，我們感謝看到相同的趨勢，這很好的證實兩個方法都是合理的。但是使用積分球我們最終看到更平滑的曲線而且後三個樣品的數據更靠近。這與前面提到積分球所帶來的重複性提高息息相關，並凸顯了這項優點在品質管理環境中的價值。
圖表二: 積分球響應
這些模式不是隨機的，而是光與鈣鈦礦太陽能電池中的多個塗層交互作用的指紋。透過分析位置和這些趨勢的補償，製造商可以對薄膜厚度微調、找尋缺陷和優化整體性能。像是我們在這使用的小型光譜設置，很適合用在研究開發與製造環境，因為它們在實驗室來說足夠小，也足夠堅固能用在生產線上。這讓人更有信心，在不同設定之間切換時，你將看到同樣有意義的結果，而不需要為一個針對你流程高度自訂的大型系統去計算轉換。如果您正在研究鈣鈦礦或類似的技術，並需要在實驗室工作台和/或生產線上進行分析，歡迎與我們聯繫，以了解這些系統如何符合您的特定需求。
參考
1 https://www.pv-tech.org/ember-global-solar-generation-exceeds-2000twh-2024/
2 “PriceQuotes”. pv.energytrend.com. Archived from the original on 30 June 2014. Retrieved 26 June 2014.
3 Kojima, Akihiro; Teshima, Kenjiro; Shirai, Yasuo; Miyasaka, Tsutomu (May 6, 2009). “Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells”. Journal of the American Chemical Society. 131 (17): 6050–6051. Bibcode:2009JAChS.131.6050K. doi:10.1021/ ja809598r. PMID 19366264.